Учебное пособие по дисциплине СиСПИ
.pdf
Е.И. Воробьева
СИСТЕМЫ И СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Учебное пособие
Воронеж 2006
0
Воронежский государственный технический университет
Е.И. Воробьева
СИСТЕМЫ И СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2006
1
УДК 621.396
Воробьева Е.И. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006. 274 с.
В учебном пособии рассмотрены наиболее современные способы передачи (кодирования и модуляции) и приема (декодирования и демодуляции) информации, вопросы организации и функционирования систем электросвязи, таких как: системы телефонной вязи, коротковолновые и ультракоротковолновые системы связи, системы подвижной радиосвязи общего пользования, спутниковые системы связи. Разобраны вопросы построения сетей передачи информации и системы коммуникации. Даются характеристики техническим средствам телекоммуникационных систем.
Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 090100 «Информационная безопасность», специальностям 090102 «Компьютерная безопасность», 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем», 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», дисциплине «Системы и сети передачи информации».
Учебное пособие подготовлено в электронном виде и в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле Системы и сети передачи информации.doc
Табл. 5 Ил. 93. Библиогр.:30 назв.
Научный редактор д-р. техн. наук, проф. А.Г. Остапенко Рецензенты: ОАО«Концерн «Созвездие»»;
канд. техн. наук, доц. В.П.Дуров
©Воробьева Е.И., 2006
©Оформление. ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2006
2
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................... |
6 |
|
1.СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ. СПОСОБЫ |
||
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СООБЩЕНИЙ, |
||
СИГНАЛОВ И ПОМЕХ................................................................... |
8 |
|
1.1 |
Общие сведения о системах связи .......................................... |
8 |
1.1.1 Информация. Сообщение. Сигнал ................................... |
8 |
|
1.1.2 Обобщенная структура систем связи ............................ |
13 |
|
1.1.3 Дискретизация непрерывного сигнала......................... |
17 |
|
1.2 |
Методы модуляции в системах связи .................................. |
24 |
1.3 |
.Цифровая обработка аналоговых сигналов ...................... |
28 |
1.3.1Преобразование аналог—цифра. Шумы
квантования ................................................................................ |
28 |
|
1.3.2 Преобразование цифра-аналог и восстановление |
|
|
|
континуального сигнала............................................... |
36 |
1.4 |
Кодирование информации в системах связи...................... |
38 |
1.4.1 Назначение и классификация кодов ............................. |
38 |
|
1.4.2 Неравномерные эффективные коды ............................. |
43 |
|
1.4.3 Принципы помехоустойчивого кодирования .............. |
47 |
|
1.4.4Линейные двоичные блочные коды ............................... |
53 |
|
1.4.5 Циклические коды ............................................................ |
60 |
|
1.4.6 Сверточные коды .............................................................. |
63 |
|
2 |
МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ |
|
|
ИНФОРМАЦИИ ................................................................... |
73 |
2.1 |
Уплотнение информации в аналоговых системах связи. 73 |
|
2.2 |
Цифровые системы многоканальной передачи................. |
89 |
3 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ.93 |
||
3.1 |
Системы телефонной связи.................................................... |
93 |
3.1.1 Телефонный аппарат ........................................................ |
93 |
|
3.1.2Структура АТС, сигнализация, установление
соединений (коммутация) |
............................................ 98 |
3.1.3 Сигнализация................................................................... |
102 |
3.1.4 Устройства сопряжения ................................................. |
109 |
3.1.5 Цифровая телефония ...................................................... |
111 |
3.2 Коротковолновые и ультракоротковолновые системы |
|
связи ....................................................................................... |
114 |
3
3.3.Телевизионные системы....................................................... |
116 |
3.3.1 Преобразование видеоинформации в сигнал ............ |
116 |
3.3.2 Сообщение и его кодирование ...................................... |
121 |
3.3.3 Методы цифрового кодирования, используемые |
|
при |
|
формировании ТВ программ ....................................... |
123 |
3.3.4 Цифровая передача сигналов телевидения по |
|
линиям связи и иерархия ИКМ систем................... |
126 |
3.3.5 Цифровое кодирование полных цветовых сигналов |
|
PAL, SECAM в аппаратно-студийном комплексе .. |
127 |
3.3.6 Выбор частоты дискретизации при цифровом |
|
кодировании полных цветовых телевизионных |
|
сигналов ........................................................................ |
128 |
3.3.7 Эффективное цифровое кодирование ТВ сигнала ... |
130 |
3.4Системы подвижной радиосвязи общего пользования .. 134
3.4.1Особенности и классификация систем подвижной
радиосвязи (СПРС) ....................................................... |
134 |
3.4.2 Транкинговые системы.................................................. |
136 |
3.4.2.1 Преимущества транковых сетей............................ |
138 |
3.4.2.2 Архитектура транкинговых систем ...................... |
140 |
3.4.2.2.1 Однозоновые системы ....................................... |
140 |
3.4.2.2.2. Многозоновые системы.................................... |
146 |
3.4.3 Сотовые системы (ССПС). ............................................ |
149 |
3.4.4 Подход к проектированию ССПС................................ |
153 |
3.4.5 Разделение сетей на иерархические уровни. .............. |
156 |
3.4.5.1 Физический уровень................................................. |
156 |
3.4.5.2 Канальный уровень.................................................. |
163 |
3.4.5.3 Сетевой уровень. ....................................................... |
166 |
3.4.6 Пути усовершенствования ССПС................................ |
170 |
3.4.7 Повышение надежности................................................. |
173 |
3.4.8 Увеличение скорости передачи. ................................... |
175 |
3.4.9 Стандарты ССПС............................................................ |
177 |
3.5 Спутниковые системы связи ............................................... |
182 |
3.5.1 Основные параметры спутниковых линий связи .... |
183 |
3.5.2. Принципы функционирования и обобщённая |
|
структурная схема систем спутниковой связи ..... |
186 |
4
3.5.3. Орбиты спутников связи, способы вывода |
|
спутников на орбиту .................................................. |
194 |
3.5.4 Способы модуляции и формирование групповых |
|
сигналов аналоговых и цифровых ССС.................. |
203 |
3.5.5 Способы модуляции........................................................ |
208 |
3.5.6 Многостанционный доступ (МД). ................................ |
211 |
3.5.7 Структура кадра.............................................................. |
214 |
3.5.8 Методы вхождения в синхронизм. ............................... |
222 |
3.6 Волоконно-оптические системы связи .............................. |
224 |
3.6.1Оптическое волокно и особенности распространения светового потока в
оптическом волокне................................................ |
224 |
3.6.2 Методы модуляции светового потока ......................... |
230 |
3.6.3 Лазеры и оптическое волокно ...................................... |
233 |
3.6.4 Структура ВОСС............................................................. |
233 |
4. СЕТИ СВЯЗИ И СИСТЕМЫ КОММУТАЦИИ ................... |
235 |
4.1 Общие сведения о сетях связи ............................................. |
235 |
4.1.1 Модель взаимосвязи открытых систем OSI / ISO .... |
235 |
4.1.2 Классификация сетей по области действия ............... |
239 |
4.1.2.1 Локальные сети......................................................... |
240 |
Характеристики ЛВС........................................................... |
241 |
4.1.2.2 Городские сети........................................................... |
243 |
4.1.2.3 Глобальные сети ....................................................... |
245 |
4.2 Особенности современных сетевых архитектур.............. |
246 |
4.2.1Модель SSA компании IBM ........................................... |
246 |
4.2.2 Базовая модель DNA фирмы DEC. .............................. |
254 |
4.2.3 Сети TCP/IP...................................................................... |
257 |
4.3 Маршрутизазия и управление потоками в сетях связи. 261 |
|
4.3.1 Классификация алгоритмов маршрутизации. .......... |
261 |
4.3.2 Типы алгоритмов маршрутизации.............................. |
264 |
4.4 Сети интегрального обслуживания.................................... |
269 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................... |
272 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Современная жизнь характеризуется повышенной деловой активностью населения. Любая сколь угодно полезная информация не может быть использована, если отсутствует каналы связи для ее передачи и приема. Сама по себе информация не имеет ценности, если ею нельзя воспользоваться.
Два крупных достижения в области фундаментальной науки – общая теория связи и достижения микроэлектроники – позволили совершить научно-техническую революцию в области связи.
Необходимость обладания информацией в определенное время, увеличение объема этой информации и уменьшение сроков ее доставки до адресата, возможность ее оперативной передачи и приема обусловили широкое внедрение спутниковых, во- локонно-оптических систем связи, систем с шумоподобными сигналами, подвижной радиосвязи. Для предоставления современных услуг связи деловым потребителям недостаточно сети обычной телефонной связи. Сегодня стало актуально и экономически выгодно пользоваться сотовым телефоном или спутниковым терминалом.
Для правильного понимания функционирования действующих и перспективных систем передачи информации специалисту в области связи, а тем более специалисту в области защиты информации, передаваемой по каналам связи, необходимо знать основные положения теории сигналов, сообщений, информации, модуляции, оптимального приема и помехоустойчивого кодирования, принципы построения многоканальных систем передачи, высокоскоростных модемов, сжатия сообщений и многое другое.
Передача информации ведущаяся в условиях воздействия сильных и разнообразных помех, в том числе и преднамеренных, поэтому системы связи должны обладать высокой помехоустойчивостью, а также высокой эффективностью при относительной простоте технической реализации и эксплуатации. Это
6
значит, что надо передавать наибольшее количество информации наиболее экономичным способом в заданное время. Последнее достигается благодаря использованию наиболее современных способов передачи (кодирования и модуляции) и приема (декодирования и демодуляции). Перечисленные вопросы подробно излагаются в данном учебном пособии.
Кроме того, в пособии рассмотрены вопросы организации и функционирования систем электросвязи, таких как: системы телефонной вязи, коротковолновые и ультракоротковолновые системы связи, системы подвижной радиосвязи общего пользования, спутниковые системы связи.
Также рассмотрены вопросы построения сетей передачи информации и системы коммуникации. Даются характеристики техническим средствам телекоммуникационных систем.
В основу предполагаемого пособия положен опыт преподавания дисциплин «Теория информации» и «Системы и сети передачи информации», читаемых в Воронежском государственном техническом университете для студентов, обучающихся по направлению «Информационная безопасность». Авторы благодарят Потапова Николая Юрьевича за помощь в оформлении материала учебного пособия.
7
1.СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ. СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СООБЩЕНИЙ, СИГНАЛОВ И ПОМЕХ.
1.1 Общие сведения о системах связи
1.1.1 Информация. Сообщение. Сигнал
Информация наряду с материей и энергией является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена. Можно лишь перечислить ее основные свойства, например такие как:
1)информация приносит сведения, об окружающем мире которых в рассматриваемой точке не было до ее получения;
2)информация не материальна, но она проявляется в форме материальных носителей дискретных знаков или первичных сигналах;
3)знаки и первичные сигналы несут информацию только для получателя способного распознать.
Вместе с тем слово информация является одним из тех терминов, которые достаточно часто встречаются не только в научных трудах специального характера, но и во множестве обиходных ситуаций и являются интуитивно понятными каждому человеку. При этом в узком практическом смысле под ин-
формацией обычно понимают совокупность сведений об окружающем мире являющихся объектом хранения, передачи и пре-
образования. Знаки или первичные сигналы, организованные в последовательности несут информацию не потому, что они повторяют объекты реального времени, а по общественной договоренности об однозначной связи знаков и объектов, например: предметы и слова для их обозначения. Кроме того, первичные сигналы могут быть порождены естественными законами реального мира, например: напряжение на выходе термопары под действием температуры.
8
Информация, основанная на однозначной связи знаков или сигналов с объектами реального мира, называется семантической или смысловой. Информация, заключенная в характере (порядке и взаимосвязи) следования знаков сообщающей называется синтаксической. Также в общей науке о знаках (семиотики) кроме перечисленных выделяют сигматический и прагматический аспекты информации. В первом случае изучается вопрос о выборе знаков для обозначения объектов реального мира, во втором случае о ценности информации для достижения поставленных целей. Очевидно, что наибольший практический интерес представляют смысловой и семантический и прагматический аспекты. Однако до сих пор не определены объективные количественные критерии меры ценности и полезности информации.
Информация передается, и храниться в виде сообщений.
Под сообщением понимают совокупность знаков или первичных сигналов содержащих информацию. Иначе говоря, сообщение -
это информация представленная в какой-либо форме. Пример сообщений: текст телеграммы, данные на выходе ЭВМ, речь, музыка и т.д. Для того чтобы сообщение можно было передать получателю, необходимо воспользоваться некоторым физическим процессом, способным с той или иной скоростью распространяться от источника к получателю сообщения. Изменяю-
щийся во времени физический процесс, отражающий передаваемое сообщение называется сигналом.
Сообщения могут быть функциями времени (когда информация представлена в виде первичных сигналов: речь, музыка) и не является ими (когда информация представлена в виде совокупности знаков). Сигнал всегда является функцией времени.
Возможность способа передачи учитывается способом преобразования сообщения в сигнал. В случае электросвязи все виды информации с помощью соответствующих электронных приборов преобразуются в электрические сигналы, отображающие сообщение.
9